单驳船横荡运动对沉管管段横荡运动特性影响的试验研究

左卫广， 王永学

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 大连 116024)

单驳船横荡运动对沉管管段横荡运动特性影响的试验研究

左卫广， 王永学

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 大连 116024)

通过物理模型试验，探讨了在波浪条件下，系泊单驳船横荡运动对沉管管段横荡运动的影响。研究结果发现考虑驳船横荡运动后的沉管横荡运动与忽略驳船运动的沉管横荡运动相比，两者存在明显不同。比较了考虑单驳船横荡运动后的沉管横荡运动与单驳船横荡运动之间的相关性，并探讨了不同波浪周期，波高和沉管沉放深度情形下沉管和单驳船横荡运动特性。

沉管；横荡运动；低频运动；波频运动；单驳船

0 引言

海底隧道施工方法包括“盾构法”和“沉管法”两种。“沉管法”由于具有总工程量小、工期短、工程造价低、可以交叉作业缩短工期等优点而被广泛使用。国内外对沉管隧道的管段接头防水、基础处理和沉管结构地震响应等方面的研究较多[1-3]，而对沉管沉放过程中沉管动力响应研究较少。

周瑜[4,5]建立了沉管管段处于浸没状态时的数学模型，并计算其频域运动响应，试验研究了沉管在不同沉放深度的缆绳缆力。高卫平等[6]对管段浮运与沉放过程进行了初步力学分析，建立了管段沉放的静力学模型，并用来分析作用在缆绳上的张力以及它们之间的相互作用关系。陈智杰[7]建立了沉管管段沉放运动的频域和时域数学模型，数值模拟结果与模型试验结果吻合较好。

上述研究成果均忽略了海上驳船运动，而在实际工程中，不仅沉管受到波浪的作用，驳船同样受到波浪的作用，驳船运动对沉管运动也有影响。该文通过物理模型试验，研究了在波浪作用下，单驳船横荡运动和波浪联合作用对沉管横荡运动特性的影响。

1 试验设计

单驳船进行沉管管段沉放的物理模型试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的海洋环境水槽中进行，水槽尺寸为50.0 m×3.0 m×1.0 m(长×宽×高)，模型布置如图1所示。

沉管管段模型长2 m，宽0.3 m，高0.2 m，管段模型用有机玻璃和混凝土材料制成，试验的管段模型重量为1 200.5 N，模型完全浸入水中受到的浮力为1 176.0 N。驳船模型由有机玻璃制成，长宽高分别为1.0 m，0.16 m和0.16 m。驳船重量为156.8 N，吃水为0.1 m。驳船系泊系统由四根钢链与水槽底部相连，每根钢链的下端点串联一根弹簧(弹性系数为1.34 N/mm)来模拟系泊锚链的变形。

波浪采用正向规则波，试验的水深，波高，周期和沉管沉放深度等参数见表1。

模型试验中的沉管管段通过四根吊缆连接到驳船，吊缆材料为钢缆绳，对于一定的沉深，采用串联弹簧来模拟其变形。对于不同的沉放深度，采用弹性系数不同的弹簧来模拟吊缆刚度的改变。沉管不同沉放深度对应的弹簧弹性系数见表2。

表2 不同沉放深度下的弹簧弹性系数

物理模型试验主要研究考虑水面单驳船横荡运动情况下，沉管管段模型在波浪中的运动响应特性。因此，准确地采集单驳船和沉管管段模型运动的试验数据对模型试验结果有重大影响。同时，由于沉管管段模型处于水下，需要在不影响其运动的前提下对管段模型运动进行数据采集。综合以上因素，模型试验采用非接触式运动姿态测量系统 (Untouched 6-D Measurement System)来采集沉管管段模型和单驳船的运动响应数据。非接触式运动姿态测量系统是由光学、机械、电子线路等硬件控制系统以及软件图形分析系统组成的一种测试测量设备，其主要用于对目标物体六个自由度的运动姿态进行测量。基于可视化测量原理，以数字图像处理技术为核心，通过“光线的聚焦”来对目标体进行定位与测量，因此使用时无需在目标物上布置陀螺仪、位移传感器等直接用于运动测量方面的传感器，具有无干扰、精度高、便于操作等特点。该系统平移误差约为0.2%，旋转误差约为1.2%。

2 试验结果分析

2.1 单驳船与沉管横荡运动相关性分析

为探讨单驳船运动对沉管横荡运动的影响，首先须对忽略驳船运动与考虑驳船运动情形的沉管横荡运动时间过程线和谱分析结果进行比较。图2为H=5cm,T=0.85s,d=30cm，忽略驳船运动与考虑驳船运动情形下沉管横荡运动时间过程线和谱分析结果。

图2 忽略与考虑驳船运动的沉管横荡运动时间过程线和谱分析结果(H=5 cm,T=0.85 s, d=30 cm)

由图2的沉管横荡运动时间过程线和谱分析结果可知，在该工况下，忽略单驳船运动情形和考虑单驳船运动情形的沉管横荡运动可认为是两种运动方式的组合。一种是频率为1.18Hz的高频运动，该运动频率与波浪频率一致，称为波频运动；另外一种是频率比波浪频率小很多的运动，称为低频运动。由图2(a)的谱分析结果可知，忽略单驳船运动的沉管横荡低频运动频率为0.1Hz，忽略单驳船情形下沉管横荡波频运动幅值为6.31mm，沉管横荡低频运动幅值为17.20mm。由图2(b)的谱分析结果可知，考虑单驳船运动情形，沉管横荡波频运动频率为1.18Hz，沉管横荡低频运动频率为0.045Hz；同时单驳船本身的横荡运动也包含波频运动和低频运动两种运动方式，波频运动和低频运动频率分别为1.18Hz和0.045Hz，与沉管横荡波频运动和低频运动频率相同。考虑单驳船运动情形下沉管波频运动幅值为6.14mm，与忽略驳船运动的沉管横荡波频运动幅值6.31mm接近，说明考虑驳船运动情形，尽管驳船横荡波频运动幅值达到42.11mm，但对沉管横荡波频运动影响很小。考虑单驳船运动情形下沉管和驳船低频运动幅值分别为40.54mm和35.22mm，两者运动幅值较为接近，可以认为在考虑驳船运动情形下沉管横荡低频运动主要由驳船横荡低频运动引起。同时，在图2(b)中，比较沉管和单驳船横荡运动时间过程线发现，沉管横荡运动与驳船横荡运动是同步的。

图3为H=3cm,T=0.85s,d=30cm，忽略驳船运动与考虑驳船运动情形下沉管横荡运动时间过程线和谱分析结果，图3工况中波高H为3cm，波浪周期、沉深与图2工况相同。

图3 忽略与考虑单驳船运动的沉管横荡运动时间过程线和谱分析结果(H=3 cm, T=0.85 s, d=30 cm)

由图3(a)的谱分析结果可知，忽略单驳船情形下沉管横荡低频运动频率为0.1Hz，忽略单驳船情形下沉管横荡波频运动幅值为2.60mm，沉管横荡低频运动幅值为8.20mm。与图2(a)的工况相比较，波高减小时，忽略单驳船运动情形的沉管横荡低频运动的频率不变、幅值减小。由图3(b)的谱分析结果可知，考虑单驳船运动情形，沉管横荡波频运动频率为1.18Hz，沉管横荡低频运动频率为0.045Hz，同样，单驳船本身的横荡波频运动和低频运动频率分别为1.18Hz和0.045Hz，与沉管横荡波频运动和低频运动频率相同。考虑单驳船运动情形下的沉管波频运动幅值为3.31mm，与忽略驳船运动的沉管横荡波频运动幅值2.60mm接近，说明尽管驳船横荡波频运动幅值达到24.60mm，但对沉管横荡波频运动的影响很小。考虑单驳船运动情形下沉管和驳船低频运动幅值分别为14.51mm和13.75mm，两者运动幅值较为接近。与图2(b)的工况相比较，波高减小时，考虑驳船运动情形的沉管横荡低频运动主要由驳船横荡低频运动引起，沉管横荡低频运动的幅值减小。

图4为H=5cm,T=1.1s,d=30cm，忽略驳船运动与考虑驳船运动情形下沉管横荡运动时间过程线和谱分析结果，图4工况中的波浪周期T为1.1s，波高、沉深与图2工况相同。

图4 忽略与考虑单驳船运动的沉管横荡运动时间过程线和谱分析结果(H=5 cm, T=1.1 s, d=30 cm)

由图4(a)的谱分析结果可知，忽略单驳船情形下沉管横荡波频运动和低频运动频率分别为0.91Hz和0.1Hz，忽略单驳船情形的沉管横荡波频运动幅值为16.02mm，沉管横荡低频运动幅值为11.89mm。与图2(a)的工况相比较，周期增大时，忽略单驳船运动情形的沉管横荡波频运动幅值增加，低频运动幅值减小。由图4(b)的谱分析结果可知，考虑单驳船运动情形，沉管横荡波频运动频率为0.91Hz，沉管横荡低频运动频率为0.045Hz，同时，单驳船横荡波频运动和低频运动频率分别为0.91Hz和0.045Hz，与沉管横荡波频运动和低频运动频率相同。考虑单驳船运动情形下沉管波频运动幅值为12.94mm，与忽略驳船运动的沉管横荡波频运动幅值11.89mm接近，说明尽管驳船横荡波频运动幅值达到49.29mm，但对沉管横荡波频运动的影响很小。考虑单驳船运动情形的沉管和驳船低频运动幅值分别为13.22mm和12.94mm，两者运动幅值较为接近。与图2(b)的工况相比较，周期增大时，考虑驳船运动情形下沉管横荡低频运动主要由驳船横荡低频运动引起，沉管横荡低频运动的幅值减小。

由图2～图4的分析可知，当沉管沉放深度固定时，沉管横荡低频运动频率是不变的，与波浪周期和波高无关。不同沉放深度情形下沉管横荡低频运动频率见表3。

表3 不同沉放深度下沉管横荡低频运动频率

由表3可知，d=20cm与d=40cm的沉管横荡低频运动频率较为接近，而d=30cm时沉管横荡低频运动频率较大。

2.2 单驳船与沉管横荡运动幅值

不同波高、周期和沉放深度情形下，沉管和单驳船横荡波频运动幅值曲线如图5所示。

图5 不同波浪条件和沉管沉放深度情形下沉管和驳船横荡波频运动幅值

由图5(a)、图5(b)可知，沉管横荡波频运动幅值随波浪周期和波高的增加而增加，随沉管沉放深度的增加而减小。当沉管沉放深度不变时，作用在沉管上的波能随波浪周期和波高的增加而增加，沉管横荡波频运动幅值也相应变大。当波浪条件不变时，作用在沉管上的波能随沉管沉放深度增加而减弱，沉管横荡波频运动幅值也相应减小。由图5(c)、图5(d)可知，单驳船横荡波频运动幅值随波浪周期和波高的增加而增加，而与沉管沉放深度关系不大。这是由于驳船横荡波频运动主要受波浪影响，且驳船始终位于水面，故驳船横荡波频运动随沉管沉放深度的增加而变化不大。

不同波高、周期和沉放深度情形下沉管和单驳船横荡低频运动幅值如图6所示。

由图6可知，沉管横荡低频运动幅值与单驳船横荡低频运动幅值非常接近，两者都随着波高的增加而增加，随着波浪周期的增加而减小。当d=20cm时，沉管和单驳船横荡低频运动幅值最大，d=40cm时沉管和单驳船横荡低频运动幅值要稍大于d=30cm时沉管和单驳船横荡低频运动幅值。

图6 不同波浪条件和沉管沉放深度情形下沉管和驳船横荡低频运动幅值

3 结论

该文通过物理模型试验，研究了单驳船进行沉管管段沉放情形下，受不同波浪条件影响的沉管横荡运动。通过对沉管和单驳船横荡运动的分析，得到以下结论：

(1) 沉管和驳船横荡运动均由波频运动和低频运动组成，沉管横荡运动的相位与驳船横荡运动的相位一致。

(2) 单驳船的横荡波频运动对沉管横荡波频运动影响很小，沉管横荡波频运动幅值可近似取忽略驳船运动的横荡波频运动幅值。沉管横荡波频运动幅值随着波浪周期和波高的增加而增加，随沉管沉放深度的增加而减小。

(3) 沉管横荡低频运动幅值主要受单驳船横荡低频运动的影响，沉管横荡低频运动幅值可近似取单驳船运动的横荡低频运动幅值。两者都随波高的增加而增加，随波浪周期的增加而减小。

[1] Anastasopoulos I, Gerolymos N, Drosos V, et al. Nonlinear response of deep immersed tunnel to strong seismic shaking[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(9):1067-1090.

[2] Ingerslev C, Kiyomiya O. Earthquake analysis, immersed, and floating tunnels[J]. Working Group Report, ITA, 1997, 2(2):76-80.

[3] Kiyomiya O. Earthquake-resistant design features of immersed tunnels in Japan[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1995, 10(4):463-475.

[4] ZHOU Yu, TAN Jia-hua, YANG Jian-min, et al. Experimental investigation on element immersing process of immersed tube tunnel[J]. China Ocean Engineering, 2001, 15(4):531-540.

[5] 周瑜.大型沉管隧道管段水上施工问题研究[D].上海:上海交通大学,2001.

[6] 张庆贺,高卫平.沉管隧道施工阶段不同工况的受力性态研究[J].工程力学,2003(A1).301-305.

[7] 陈智杰.波浪作用下沉管管段沉放运动的试验与数值研究[D].大连:大连理工大学,2009.

[8] 左卫广,王永学.驳船升沉运动和波浪联合作用对沉管管段运动特性的影响[J].水道港口,2013,34(2):99-105.

Experimental Investigation on Motion Responses of Tunnel Element Immerging by Single Barge in Sway Direction

ZUO Wei-guang, WANG Yong-xue

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024,China)

Physical model experiment is used to investigate single barge effect on tunnel element in the sway direction under waves. The results show that it is obviously different for tunnel element motions in the sway direction between without and with barge. It is compared with correlativity between sway motions of the barge and tunnel element with single barge. At last, sway motion characteristics of the barge and tunnel element with single barge under different amplitudes, periods and immersed depths are analyzed.

tunnel element; sway motion; low frequency motion; wave frequency motion; barge

2015-02-12

国家自然基金(11272079)，国家自然科学创新研究群体基金(51221961)。

左卫广(1981-)，男，博士研究生。

1001-4500(2015)02-0057-06

P751

A